KR20030050354A - 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 쵸크랄스키 법에 의한 단결정 실리콘 잉곳의 제조에 있어서, 균일하지 않은 온도 분위기에 있는 핫존 환경과 소정의 인상속도에서 성장되는 잉곳의 스트레스 분포를 소정의 해석 프로그램으로 예측한 것에 의하여, 결정성장장치의 핫 존 구조와 최대 인상속도에 관련된 제조 공정 조건을 제시할 수 있도록 하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법은, 결정성장장치 내의 핫존 환경 조건을 선정하고, 핫존 환경 조건을 소정의 변수로 모델링하는 단계; 잉곳의 인상속도별로, 소정의 변수에 따라 소정의 해석 프로그램을 통하여, 결정성장장치 내의 온도장 해석과 그에 대응한 잉곳의 스트레스 분포를 해석하는 단계; 인상속도별로 해석된 잉곳의 스트레스 분포로부터, 소정의 스트레스 값이 급변하게 되는 인상속도보다 작은 인상속도를 잉곳 제조 시의 인상속도로 결정하는 단계; 및 결정된 인상속도에 대응한 핫존 환경 조건에 따라 결정성장장치 내에서 결정된 인상속도로 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하는 것으로서, 저결함 단결정 실리콘 잉곳의 제조에 대한 실패비용이 감소하고, 제조 원가가 감소하는 효과가 있다.

Description

단결정 실리콘 잉곳 제조 방법{Manufacturing method of single crystal silicon ingot}

본 발명은 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 쵸크랄스키 법에 의한 단결정 실리콘 잉곳의 제조에 있어서, 잉곳을 성장시키는 실험을 토대로 이루어지는 것과는 달리, 균일하지 않은 온도 분위기에 있는 핫존 환경과 소정의 인상속도에서 성장되는 잉곳의 스트레스 분포를 소정의 해석 프로그램으로 예측한 것에 의하여, 결정성장장치의 핫 존 구조와 최대 인상속도에 관련된 제조 공정 조건을 제시할 수 있도록 하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법에 관한 것이다.

쵸크랄스키 법에 의한 단결정 실리콘 잉곳의 제조는, 종자결정으로부터 가늘고 긴 결정을 성장시키는 네킹(necking) 공정, 결정을 직경방향으로 성장시켜 목표직경으로 만드는 숄더링(shouldering) 공정을 거치며, 이 이후에는 일정한 직경을 갖는결정이 성장된다. 이 공정을 바디 그로잉(body growing) 공정이라 부르는데 이때 성장된 부분이 웨이퍼로 만들어지는 부분이 된다. 일정한 길이 만큼 바디 그로잉이 진행된 후에는 결정의 직경을 서서히 감소시켜 결국 용융 실리콘과 분리하는 테일링(tailing) 공정단계를 거쳐 결정성장단계가 마무리된다.

여기서, 결정성장공정은 핫존(Hot Zone)이라는 공간에서 이루어지게 되는데, 핫존은 결정성장장치(Grower)에서 용융실리콘이 단결정 잉곳으로 성장될 때의 용융실리콘과 잉곳 접촉 주위의 공간을 구성하는 총체적인 환경을 의미한다. 결정성장장치는 용융실리콘 도가니, 가열장치, 열실드, 페데스탈, 씨드척, 잉곳인상장치 등 여러 부품들로 이루어져 있다.

한편, 이와 같이 성장되는 단결정 내부의 결함특성은 결정의 성장 및 냉각 조건에 매우 민감하게 의존하기 때문에 성장계면 근처의 열적 환경을 조절함으로써 성장결함의 종류 및 분포를 제어하고자 하는 많은 노력이 진행되어 오고 있다.

그러나, 종래의 저결함 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 결정성장장치의 핫존 구조에 관한 연구는, 핫존 구조를 설계하는 기준 없이, 결정성장장치의 핫존 구조를 결정한 다음, 결정 성장 실험을 통해 그 핫존 구조가 저결함 실리콘 단결정 성장에 적합한가를 판단하고, 불만족일 때에는 반복적으로 다시 실험을 행하는 시행착오를 거쳐 핫존 구조와 공정 조건을 결정하는 방법으로서, 실패 비용이 많이 들고 비효율적인 면이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하고자하여 제안된 것으로서,쵸크랄스키 법에 의한 단결정 실리콘 잉곳의 제조에 있어서, 균일하지 않은 온도 분위기에 있는 핫존 환경과 소정의 인상속도에서 성장되는 잉곳의 스트레스 분포를 소정의 해석 프로그램으로 예측한 것에 의하여, 결정성장장치의 핫 존 구조와 최대 인상속도에 관련된 제조 공정 조건을 제시할 수 있도록 하자는 데 있다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 방법은,

(a) 결정성장장치 내의 핫존 환경 조건을 선정하고, 핫존 환경 조건을 소정의 변수로 모델링하는 단계;

(b) 잉곳의 인상속도별로, 상기 소정의 변수에 따라 소정의 해석 프로그램을 통하여, 결정성장장치 내의 온도장 해석과 그에 대응한 잉곳의 스트레스 분포를 해석하는 단계;

(c) 상기 인상속도별로 해석된 상기 잉곳의 스트레스 분포로부터, 소정의 스트레스 값이 급변하게 되는 인상속도보다 작은 인상속도를 잉곳 제조 시의 인상속도로 결정하는 단계; 및

(d) 상기 결정된 인상속도에 대응한 핫존 환경 조건에 따라 결정성장장치 내에서 상기 결정된 인상속도로 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하고, 상기 (c) 단계에 있어서, 상기 소정의 스트레스 값은 von Mises 스트레스 값인 것을 특징으로 하며, 상기 (c) 단계에 있어서, 소정의 스트레스 값이 급변하게 되는 인상속도보다 작은 인상속도 중에서 가장 큰 인상속도를 잉곳 제조 시의 인상속도로 결정하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 단결정 실리콘 잉곳 제조 공정의 흐름도.

도 2는 본 발명에 따른 결정성장장치의 온도장 분포도.

도 3은 본 발명에 따른 단결정 실리콘 잉곳의 스트레스 변화도.

이하, 본 발명에 대하여 첨부된 실시예의 도면을 참조하여 설명한다.

도 1에는 본 발명의 실시예에 따른 단결정 실리콘 잉곳 제조 공정의 흐름도가 도시되어 있다.

본 발명의 실시예에 따른 잉곳의 제조에 있어서는, 결정성장장치 내에서 잉곳을 성장시키기 전에, 핫존의 구조와 공정 조건을 결정하기 위해 잉곳의 스트레스 분포를 해석한다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 잉곳의 스트레스 분포를 해석하기 위하여, 먼저, 결정성장장치 내의 핫존 환경 조건을 선정하고(S101), 이에 따라 전산 모사(computer simulation)를 행하기 위하여 핫존 환경 조건을 소정의 변수로 모델링한다. 핫존 환경 조건은 냉각조건이나 잉곳 성장 조건 등 잉곳 성장 시에 필요한 결정성장장치 내의 모든 환경 조건에 대응하는 것으로서, 아래서 기술할 온도장 해석 등을 위해서는 이러한 환경 조건에 대하여 다수의 변수로 모델링하는 것이 필요하다. 냉각조건으로는 결정성장장치 내의 가열온도, 열실드 형태, 멜트갭(열실드 하부 바닥에서부터 용융실리콘 표면까지의 간격) 등을 들 수 있고, 잉곳 성장 조건으로는 인상 속도, 용융 실리콘의 특성, 분위기 가스 농도 등을 들 수 있다.

이와 같이, 선정된 핫존 환경 조건에 대한 모델링이 되면, 잉곳의 인상속도별로, 위에서 얻어진 소정의 변수에 따라 소정의 해석 프로그램을 통하여, 결정성장장치 내의 온도장 해석과 그에 대응한 잉곳의 스트레스 분포를 해석하게 된다(S102). 즉, 온도장 해석을 행하는 소정의 해석 프로그램에 의하여, 위에서 선정한 핫존 환경 조건과 소정의 인상속도에서 온도장 해석을 하면, 도 2에 도시된 바와 같은 형태의 등온선 형태로 온도장을 구할 수 있고, 이에 따른 잉곳의 스트레스 분포를 구할 수 있다.

스트레스 해석을 행하는 소정의 해석 프로그램은, 코시(Cauchy)의 운동량 보존 방정식,

[수학식 1]

을 바탕으로 한 열탄성(thermoelastic) 스트레스 모델에 의한다. 이러한 열탄성 스트레스 모델에 대해서는 "Minimization of thermoelastic stress in Czochralski grown silicon:Application of the integrated system model", (D.E.Bornside, T.A.Kinney, R.A.Brown, J.Crystal Growth 108(1991)779-805)에 잘 나타나 있다.

이러한 열탄성 스트레스 모델에 따르면, von Mises 스트레스 값가,

[수학식 2]

에 의하여 정해지고, 여기서는,

[수학식 3]

에 의하여 정해지고, 또한는,

[수학식 4]

에 의하여 정해진다. 각 변수에 대한 설명은 위 논문에 잘 나타나 있으므로 여기서는 생략하였다.

도 3에는 본 발명의 실시예에 따라, 인상 속도별로 위에서 기술한 열탄성 스트레스 모델에 의한 von Mises 스트레스의 분포와 그 최대값 변화도가 나타나 있다. 좌측의 인상속도는 0.5mm/min, 중앙은 0.6mm/min, 우측은 0.7mm/min이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 오른쪽 즉, 인상속도가 증가할 때에 최대 스트레스 값이 증가하고, 특히 어느 인상속도가 되면 그 값이 급격히 증가함을 알 수 있다.

이와 같이, 인상속도별로 해석된 잉곳의 스트레스 분포로부터, 소정의 스트레스 값이 급변하게 되는 인상속도보다 작은 인상속도를 잉곳 제조 시의 인상속도로 결정하게 된다. 이렇게 인상속도가 결정되면, 위에서 선정한 핫존 구조와 공정 조건 등 핫존 환경 조건도 결정되므로(S103), 이에 따라 결정 성장 공정을 실시하기 위한 준비가 완료되고, 위에서 결정된 인상속도에 대응한 핫존 환경 조건에 따라 결정성장장치 내에서 상기 결정된 인상속도로 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키게된다(S104).

위해서 설정한 핫존 구조 등의 핫존 환경 조건이 가상적인 것이었다면, 사용자는 필요시 설정한 열실드, 멜트갭 등 핫존 환경 조건에 맞는 소정의 결정성장장치를설계 제작하여 단결정 실리콘 잉곳을 성장시킬 수도 있게 된다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법에서는, 잉곳을 성장시키기 위한 조건을 찾기 위하여, 먼저 결정성장장치 내의 핫존 환경 조건을 선정하고, 핫존 환경 조건을 소정의 변수로 모델링하고, 잉곳의 인상속도별로, 상기 소정의 변수에 따라 소정의 해석 프로그램을 통하여, 결정성장장치 내의 온도장 해석과 그에 대응한 잉곳의 스트레스 분포를 해석한 다음, 상기 인상속도별로 해석된 상기 잉곳의 스트레스 분포로부터, 소정의 스트레스 값이 급변하게 되는 인상속도보다 작은 인상속도를 잉곳 제조 시의 인상속도로 결정함으로써, 상기 결정된 인상속도에 대응한 핫존 환경 조건에 따라 결정성장장치 내에서 상기 결정된 인상속도로 단결정 실리콘 잉곳을 성장시킬 수 있도록 하였다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 단결정 실리콘 잉곳의 제조 방법에서는, 반복적인 결정 성장 실험을 통한 시행착오를 거치지 않고도, 균일하지 않은 온도 분위기에 있는 핫존 환경과 소정의 인상속도에서 성장되는 잉곳의 스트레스 분포를 소정의 해석 프로그램으로 예측한 것에 의하여, 결정성장장치의 핫 존 구조와 최대 인상속도에 관련된 제조 공정 조건을 제시할 수 있도록 하였으므로, 저결함 단결정 실리콘 잉곳의 제조에 대한 실패비용이 감소하고, 이에 따라 제조 원가가 감소하는 효과가 있다.

Claims (3)

1. (a) 결정성장장치 내의 핫존 환경 조건을 선정하고, 핫존 환경 조건을 소정의 변수로 모델링하는 단계;

   (b) 잉곳의 인상속도별로, 상기 소정의 변수에 따라 소정의 해석 프로그램을 통하여, 결정성장장치 내의 온도장 해석과 그에 대응한 잉곳의 스트레스 분포를 해석하는 단계;

   (c) 상기 인상속도별로 해석된 상기 잉곳의 스트레스 분포로부터, 소정의 스트레스 값이 급변하게 되는 인상속도보다 작은 인상속도를 잉곳 제조 시의 인상속도로 결정하는 단계; 및

   (d) 상기 결정된 인상속도에 대응한 핫존 환경 조건에 따라 결정성장장치 내에서 상기 결정된 인상속도로 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 (c) 단계에서 상기 소정의 스트레스 값은 von Mises 스트레스 값인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 (c) 단계에서 상기 소정의 스트레스 값이 급변하게 되는 인상속도보다 작은인상속도 중에서 가장 큰 인상속도를 잉곳 제조 시의 인상속도로 결정하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.